УДК 621.735.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЯ ОБЖАТИЯ ЗАГОТОВОК НА РАДИАЛЬНО-КОВОЧНОЙ МАШИНЕ АУБ
© Карамышев Андрей Павлович, доцент, канд. техн. наук; Некрасов Игорь Иванович, доцент, канд. техн. наук; Паршин Владимир Сергеевич, проф., д-р техн. наук,
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет». Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19. Тел.: +7 (343) 375 44 19
Сыстеров Василий Антонович
ОАО «Первоуральский новотрубный завод» Статья поступила 19.11.2008 г.
Рассмотрена проблема построения математической модели процесса деформации на радиально-ковочной машине (РКМ) марки АУБ для подготовки концов труб. Математическая модель позволяет определять энергосиловые параметры процесса обжатия - важные факторы для построения технологических маршрутов, выбора состава и конструкции оборудования. Создана расчетная программа определения усилия обжатия труб и прутков, позволяющая учитывать упрочнение и определять степень использования ресурса пластичности материала труб, варьировать параметры процесса ковки, в том числе угол бойка, показатель трения, передний и за* дний подпор заготовки, величину подачи и др. Проведенные эксперименты по обработке на РКМ АУБ заготовок различных видов полностью подтверждают адекватность математической модели.
Ключевые слова: радиальнО-ковочная машина; подготовка концов труб; математическая модель; параметры процесса ковки; выбор оборудования.
В настоящее время среди машин дробного обжатия
заготовок наибольшее распространение получили радиально-ковочные машины (РКМ). В отличие от обычной ковки на молотах и прессах ковка на РКМ проводится не за счет удара или единичного интенсивного обжатия, а в результате приложения большого числа обжатий одновременно по всему периметру заготовки с относительно малой степенью деформации за одно обжатие четырьмя или более бойками, расположенными в одной плоскости и сходящимися в радиальном направлении. Обжатия следуют друг за другом с частотой 150-2000 мин-1 в зависимости от модели машины.
Существует достаточно большое разнообразие радиально-ковочных машин, отличающихся конструкцией и назначением, в том числе РКМ АУЯ фирмы Кизерлинг, используемая для заковки концов труб и прутков перед волочением.
В соответствии с допустимым усилием обжатия (т-с), машины подразделяются на АУБ - 25, 40, 63, 100 (рис. 1). Ковочная машина имеет четыре, расположенные через 90° перпендикулярно продольной оси, рабочих инструмента - бойка, одновременное движение которых осуществляется посредством эксцентриков. Подъемное движение эксцентриков передается на четыре рычага, которые в качестве центров вращения имеют закрепленные в лобовине болты. В переднем, выступающем из лобовины конце рычага, имеется приспособление для приема инструмента. Быстро заменяемый инструмент закрепляется при помощи кнопки с блокировкой, при этом достигается замкнутое, соответствующее дуге окружности движение инструмента, обеспечивающее высокую степень деформации заготовки. Машина оборудована смонтированным на передней стороне специальным устройством для подачи заготовки, которое обычно выполняется в виде подающих гиперболоидальных или призматических роликов (см. рис. 1).
Длительный срок эксплуатации машин АУБ объясняется не только проблемами экономического характера, а во многом связан с совершенством конструкции машины и удобством ее обслуживания. Обжатие заготовок на РКМ АУБ обеспечивает возможность получения как больших разовых деформаций, в том числе в холодном состоянии, так и высоких физико-механических свойств, особенно сочетания прочностных и пластических характеристик.
Энергосиловые параметры процесса обжатия заготовок на РКМ АУБ являются важными факторами при построении технологических маршрутов и выборе состава оборудования для производства холоднотянутых труб. Определение этих параметров связано с построением адекватной математической модели, создание которой затруднено в связи со сложным характером
Рис. 1. Ковочный блок радиально-ковочной машины АУ8
Заготовка
Нижнее
положение
бойка
Верхнее положение бойка
Угол подъема бойка
Рис. 2. Схема обжатия на машине АУ8
движения инструмента (рис. 2) и, следовательно, изменяющейся во времени формой очага деформации. Помимо перечисленных факторов в процессе обжатия концов труб могут быть два варианта формообразования деформируемого сечения. Это формирование правильного круглого сечения конца или образование так называемого «складчатого» профиля трубы. Образование «складчатого» профиля происходит либо при использовании специальных, профилеобразую-щих бойков (в производственной практике почти не применяются), либо при использовании обычных бойков - как результат потери устойчивости сечения трубы при приложении радиальной нагрузки.
Несмотря на длительной срок эксплуатации машин типа АУБ, до настоящего времени в литературе не представлена полноценная математическая модель процесса ковки на данной машине. Известные модели очага деформации «классической» радиальной ковки [1] не позволяют оценить особенности процесса и достаточно достоверно объяснить возможность получения больших обжатий заготовок на Л\'Н, а также высокий уровень физико-механических свойств обработанных на машине изделий. Представленная в работе [2] теоретическая модель имеет, по мнению авторов, ряд принципиальных недостатков и не может дать достоверные сведения о процессе деформации, а экспериментальные данные [3] не могут служить основой для получения математических зависимостей.
В соответствии с вышеизложенным, авторы приводят основные теоретические зависимости созданной математической модели ковки заготовок на РКМ АУБ, являющиеся результатом многолетнего экспериментального и теоретического изучения данного процесса.
В целом математическая модель состоит из двух основных частей. Вначале оценивают возможность
потери устойчивости сечения трубной заготовки при обжатии переднего конца, т.е. образование «складчатого» сечения. Для этого авторами была предложена соответствующая методика, подробно изложенная в работе [4]. После получения результатов расчета принимают решение о переходе к созданной математической модели ковки заготовок на РКМ АУЯ.
Усилия ковки определяют, начиная с вычисления скорости вертикального перемещения сферического подпятника подъемного эксцентрика, передающего подъемное движение соответствующему рычагу, по формуле:
t;n(í)=(oBesin((oBí)
cos(cùBt)
^e/e)2-sin2(coBí)
(1)
где юв - частота вращения главного вала; е - эксцентриситет главного вала; К - расстояние от оси вращения главного вала до поверхности контакта сферического подпятника и рычага; £ - время.
Угловую скорость вращения рычага юр(£) определяют по следующей зависимости:
а?(г) = а^Щ (2)
где 7?р - расстояние от оси вращения рычага до поверхности контакта с подпятником.
Угол поворота рычага в произвольный момент времени, выраженный в радианах:
УР = j4(í)df,
(3)
m
где £ - время с начала внедрения бойка в металл.
Угол наклона поверхности бойка в рабочей зоне в радианах:
« = ао + Ук + Ур (4)
где а0 - угол рабочего конуса профиля бойка; ук - максимальный угол качания бойка.
Для определения силы трения используют следующую зависимость:
т = Чшт/л/з, (5)
где цт - показатель трения по Зибелю; от - средний предел текучести материала трубы.
Далее для получения выражения для усилия ковки, с учетом геометрических параметров очага деформации (рис. 3), выделим элемент, находящийся в зоне отставания (рис. 4).
Определим осевые напряжения в зоне отставания из уравнения:
= 0, (6)
до. 2Н k¿)tga(l - m(z)) - r(z)ta ] +R(z)aT Ы S ~ \m(z)tga
R(zf-r(zf
где R(z) и r(z)- наружный и внутренний радиусы трубы в произвольном сечении, соответственно; a - угол наклона внутренней поверхности трубы; m{z) - коэф-
Рис. 3. Геометрические параметры очага деформации в нижнем положении бойка
m
а + da
Рис. 4. Выделенный элемент очага деформации в зоне отставания
фициент, определяемый по формуле m{z)= 1 - r(z)/R{z); X - коэффициент Лоде.
После решения уравнения (6), с учетом условия пластичности для трубы, определяют радиальные напряжения в зоне отставания по формуле:
Р0М = - ttl
(7)
Аналогично вычисляют напряжения Роп в зоне опережения очага деформации. Координату гн нейтрального сечения в очаге деформации определяют путем нахождения точки пересечения кривых Р(г) для зон опережения и отставания.
Усилие ковки, действующее на один боек, определяют по формуле:
.7 , ЛУ
«я , 4 I /4
| ¡Рои(г)Е(г)й<ф+ | ¡Р„{Ш)ЕШ<Р&> (8)
где I - длина очага деформации; ср - угол охвата заготовки.
Приведенные выше основные положения математической модели являются частью созданной авторами программы расчета параметров процесса ковки
на РКМ AVS. В основу программы положены результаты экспериментальных исследований очага деформации. Программа реализована в пакете для математических расчетов MathCAD и позволяет проводить расчет процесса ковки сплошных и полых заготовок с учетом изменяющегося во времени очага деформации. Программой предусмотрена возможность учитывать упрочнения и определять степень использования ресурса пластичности материала трубы; варьировать параметры процесса ковки, в том числе угол бойка, показатель трения, передний и задний подпоры заготовки, величину подачи и др. Проведенные авторами многочисленные эксперименты по обработке заготовок различных видов на РКМ AVS полностью подтверждают адекватность созданной математической модели.
Выводы. Использование разработанной программы позволяет;
- оценить возможность использования существующего оборудования при переходе на новые технологические режимы его работы;
- спрогнозировать форму сечения обжимаемой трубной заготовки и определить предельные степени деформаций;
- получить наиболее оптимальные с точки зрения затрат энергии режимы работы машины;
- разработать новые технологии обработки заготовок различных видов;
- создать основы для проектирования аналогичных по назначению технологических машин.
Библиографический список
1. Тюрин В.А., Лазоркин В.А., Поспелов И.А. и др.
Ковка на радиально-обжимных машинах. - М. : Машиностроение, 1990. - 256 с,
2. Карпо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.